Odkritje gravitacijskih valov. Kaj je gravitacijski val? Cilindrični Einstein-Rosen valovi

Zamahnite z roko in gravitacijski valovi bodo tekli po vesolju.
S. Popov, M. Prohorov. Fantomski valovi vesolja

V astrofiziki se je zgodil dogodek, na katerega so čakali desetletja. Po pol stoletja iskanja so končno odkriti gravitacijski valovi, vibracije samega prostora-časa, ki jih je pred sto leti napovedal Einstein. 14. septembra 2015 je nadgrajeni observatorij LIGO zaznal izbruh gravitacijskih valov, ki je nastal zaradi združitve dveh črnih lukenj z maso 29 in 36 sončnih mas v oddaljeni galaksiji, oddaljeni približno 1,3 milijarde svetlobnih let. Astronomija gravitacijskih valov je postala polnopravna veja fizike; odprla nam je nov način opazovanja vesolja in nam bo omogočila preučevanje prej nedostopnih učinkov močne gravitacije.

Gravitacijski valovi

Lahko prideš do različnih teorij o gravitaciji. Vsi bodo enako dobro opisali naš svet, dokler se omejimo na eno samo njegovo manifestacijo - Newtonov zakon. univerzalna gravitacija. Obstajajo pa tudi drugi, subtilnejši gravitacijski učinki, ki so bili eksperimentalno preizkušeni na lestvici sončnega sistema in kažejo na eno posebna teorija- splošna teorija relativnosti (GTR).

Splošna teorija relativnosti ni le niz formul, je temeljni pogled na bistvo gravitacije. Če v običajni fiziki prostor služi le kot ozadje, posoda za fizikalni pojavi, nato pa v GTR sam postane pojav, dinamična količina, ki se spreminja v skladu z zakoni GTR. Prav ta popačenja prostora-časa glede na gladko ozadje - ali, v jeziku geometrije, popačenja metrike prostora-časa - čutimo kot gravitacijo. Skratka, splošna teorija relativnosti razkriva geometrijski izvor gravitacije.

Splošna teorija relativnosti ima ključno napoved: gravitacijske valove. To so popačenja prostora-časa, ki so se sposobna »odtrgati od vira« in samooskrbna odleteti. To je gravitacija sama po sebi, nikogaršnja, lastna. Albert Einstein je končno formuliral splošno relativnost leta 1915 in skoraj takoj ugotovil, da enačbe, ki jih je izpeljal, dopuščajo obstoj takih valov.

Kot pri vsaki pošteni teoriji je treba tako jasno napoved splošne teorije relativnosti preveriti eksperimentalno. Vsako premikajoče se telo lahko oddaja gravitacijske valove: planeti, navzgor vržen kamen ali zamah z roko. Težava pa je v tem, da je gravitacijska interakcija tako šibka, da nobena eksperimentalna naprava ne more zaznati emisije gravitacijskih valov iz običajnih "oddajnikov".

Če želite "loviti" močan val, morate močno popačiti prostor-čas. Idealna možnost- dve črni luknji, ki se vrtita ena okoli druge v tesnem plesu, na razdalji reda velikosti njunega gravitacijskega polmera (slika 2). Izkrivljanja metrike bodo tako močna, da bo opazen del energije tega para oddan v gravitacijske valove. Z izgubljanjem energije se bo par zbližal, vrtel se bo vse hitreje, vse bolj izkrivljal metriko in ustvarjal še močnejše gravitacijske valove – dokler na koncu ne pride do korenitega prestrukturiranja vsega gravitacijsko polje Ta par in dve črni luknji se ne bosta združili v eno.

Takšno zlitje črnih lukenj je eksplozija ogromne moči, le da vsa ta oddana energija ne gre v svetlobo, ne v delce, ampak v vibracije prostora. Oddana energija bo opazen del začetna masačrne luknje in to sevanje bo pljusknilo ven v delčku sekunde. Podobna nihanja bodo nastala z združitvijo nevtronskih zvezd. Nekoliko šibkejše gravitacijsko valovno sproščanje energije spremlja tudi druge procese, kot je propad jedra supernove.

Izbruh gravitacijskega vala zaradi združitve dveh kompaktnih objektov ima zelo specifičen, dobro izračunan profil, prikazan na sl. 3. Nastavi se obdobje nihanja orbitalno gibanje dva predmeta drug okoli drugega. Gravitacijski valovi odnaša energijo; posledično se predmeti približajo in vrtijo hitreje - kar se pozna tako v pospeševanju nihanja kot v povečanju amplitude. Na neki točki pride do združitve, oddaja se zadnji močan val, nato pa sledi visokofrekvenčni "naknadni zvon" ( zvonjenje) - tresenje nastale črne luknje, ki "odvrže" vsa nesferična popačenja (ta stopnja ni prikazana na sliki). Poznavanje tega značilnega profila pomaga fizikom pri iskanju šibkega signala takšne združitve v zelo šumnih podatkih detektorja.

Nihanja v metriki prostor-čas - odmev gravitacijskih valov velike eksplozije - se bodo razpršila po vesolju v vse smeri od vira. Njihova amplituda z razdaljo slabi, podobno kot se svetlost točkovnega vira zmanjšuje z oddaljenostjo od njega. Ko izbruh iz oddaljene galaksije doseže Zemljo, bodo metrična nihanja reda velikosti 10 −22 ali celo manj. Z drugimi besedami, razdalja med predmeti, ki med seboj fizično niso povezani, se bo občasno povečala in zmanjšala za tako relativno količino.

Vrstni red velikosti tega števila je enostavno določiti iz merila (glej članek V. M. Lipunova). V trenutku zlitja nevtronskih zvezd ali črnih lukenj zvezdnih mas so popačenja metrike tik ob njih zelo velika - reda 0,1, zato je gravitacija močna. Tako močno popačenje vpliva na območje velikosti teh objektov, to je nekaj kilometrov. Z oddaljevanjem od vira se amplituda nihanja zmanjšuje v obratnem sorazmerju z razdaljo. To pomeni, da bo na razdalji 100 Mpc = 3·10 21 km amplituda nihanj padla za 21 velikostnih redov in postala približno 10 −22.

Seveda, če do združitve pride v naši domači galaksiji, bodo tresljaji prostora-časa, ki dosežejo Zemljo, veliko močnejši. Toda takšni dogodki se zgodijo enkrat na nekaj tisoč let. Zato je res treba računati le na detektor, ki bo zaznal zlitje nevtronskih zvezd ali črnih lukenj na razdalji od deset do sto megaparsekov, kar pomeni, da bo zajel več tisoč in milijonov galaksij.

Tu je treba dodati, da je posreden pokazatelj obstoja gravitacijskih valov že odkrit in za to leta 1993 celo nagrajen z Nobelovo nagrado za fiziko. Dolgoročna opazovanja pulzarja v binarnem sistemu PSR B1913+16 so pokazala, da se orbitalna doba zmanjšuje s popolnoma enako hitrostjo, kot jo predvideva splošna teorija relativnosti, upoštevajoč izgube energije zaradi gravitacijskega sevanja. Zaradi tega skoraj nihče od znanstvenikov ne dvomi o resničnosti gravitacijskih valov; vprašanje je le, kako jih ujeti.

Zgodovina iskanja

Iskanje gravitacijskih valov se je začelo pred približno pol stoletja – in se skoraj takoj spremenilo v senzacijo. Joseph Weber z univerze v Marylandu je zasnoval prvi resonančni detektor: trden dvometrski aluminijast valj z občutljivimi piezoelektričnimi senzorji na straneh in dobro izolacijo tresljajev pred tujimi tresljaji (slika 4). Ob prehodu gravitacijskega vala valj resonira v času z distorzijami prostora-časa, kar bi senzorji morali registrirati. Weber je izdelal več takšnih detektorjev in leta 1969 je po analizi njihovih odčitkov med eno od sej neposredno poročal, da je registriral "zvok gravitacijskih valov" v več detektorjih hkrati, ki so bili oddaljeni dva kilometra drug od drugega (J. Weber, 1969 Dokazi za odkritje gravitacijskega sevanja). Izkazalo se je, da je amplituda nihanj, ki jo je razglasil, neverjetno velika, reda velikosti 10 −16, to je milijonkrat večja od tipične pričakovane vrednosti. Znanstvena skupnost je Webrovo sporočilo sprejela z velikim skepticizmom; Poleg tega druge eksperimentalne skupine, oborožene s podobnimi detektorji, pozneje niso mogle ujeti niti enega podobnega signala.

Vendar pa so Webrova prizadevanja dala zagon celotnemu področju raziskovanja in sprožila lov na valove. Od sedemdesetih let prejšnjega stoletja je s prizadevanji Vladimirja Braginskega in njegovih kolegov z Moskovske državne univerze v to tekmo vstopila tudi ZSSR (glej odsotnost signalov gravitacijskih valov). Zanimiva zgodba o tistih časih je v eseju Če dekle pade v luknjo... . Mimogrede, Braginsky je eden od klasikov celotne teorije kvantnih optičnih meritev; bil je prvi, ki se je domislil koncepta standardne kvantne meje merjenja - ključne omejitve pri optičnih meritvah - in pokazal, kako jih je načeloma mogoče preseči. Webrovo resonančno vezje je bilo izboljšano in zahvaljujoč globokemu hlajenju instalacije se je hrup močno zmanjšal (glej seznam in zgodovino teh projektov). Vendar je bila natančnost takšnih popolnoma kovinskih detektorjev še vedno nezadostna za zanesljivo zaznavanje pričakovanih dogodkov, poleg tega pa so bili nastavljeni tako, da resonirajo le v zelo ozkem frekvenčnem območju okoli kilohercev.

Detektorji, ki so uporabljali več kot en resonančni predmet, vendar so sledili razdalji med dvema nepovezanima, neodvisno obešenima telesoma, kot sta dve ogledali, so se zdeli veliko bolj obetavni. Zaradi tresenja prostora, ki ga povzroča gravitacijsko valovanje, bo razdalja med ogledali bodisi malo večja bodisi malo manjša. Poleg tega, večja kot je dolžina kraka, večji absolutni premik bo povzročil gravitacijski val dane amplitude. Te vibracije lahko začuti laserski žarek, ki teče med ogledali. Takšna shema je sposobna zaznati nihanje v širokem frekvenčnem območju, od 10 hercev do 10 kilohercev, in to je ravno območje, v katerem bodo sevali zlivajoči se pari nevtronskih zvezd ali črnih lukenj z zvezdno maso.

Sodobna izvedba te zamisli na podlagi Michelsonovega interferometra izgleda tako (slika 5). Zrcala so obešena v dveh dolgih, nekaj kilometrov dolgih, pravokotnih druga na drugo vakuumskih komorah. Na vhodu v instalacijo se laserski žarek razcepi, gre skozi obe komori, se odbije od zrcal, vrne nazaj in se ponovno združi v prosojnem zrcalu. Faktor kakovosti optičnega sistema je izredno visok, zato laserski žarek ne prehaja le enkrat naprej in nazaj, ampak se v tem optičnem resonatorju zadržuje dalj časa. V “mirnem” stanju so dolžine izbrane tako, da se žarka po ponovni združitvi izničita v smeri senzorja in takrat je fotodetektor v popolni senci. Toda takoj, ko se ogledala pod vplivom gravitacijskih valov premaknejo za mikroskopsko razdaljo, postane kompenzacija obeh žarkov nepopolna in fotodetektor ujame svetlobo. In močnejši kot je odmik, svetlejšo svetlobo bo videl fotosenzor.

Besede "mikroskopski premik" niti približno ne izražajo subtilnosti učinka. Zamik ogledal za valovno dolžino svetlobe, to je mikrone, je enostavno opaziti tudi brez kakršnih koli trikov. Toda pri dolžini kraka 4 km to ustreza nihanju prostora-časa z amplitudo 10 −10. Tudi opaziti zamik zrcal za premer atoma ni problem - dovolj je, da sprožimo laserski žarek, ki bo tisočkrat stekel naprej in nazaj in dosegel želeni fazni zamik. Toda to daje tudi največ 10 −14. In še milijonkrat se moramo spustiti po lestvici pomikov, se pravi, naučiti se registrirati zrcalni premik niti za en atom, ampak za tisočinke atomskega jedra!

Na poti do te resnično neverjetne tehnologije so morali fiziki premagati številne težave. Nekateri od njih so čisto mehanski: na vzmetenje morate obesiti masivna ogledala, ki visijo na drugem vzmetenju, tisto na tretjem vzmetenju in tako naprej - in vse zato, da se čim bolj znebite tujih tresljajev. Drugi problemi so tudi instrumentalni, vendar optični. Na primer, močnejši ko je žarek, ki kroži v optičnem sistemu, šibkejši premik zrcal lahko zazna fotosenzor. Toda premočan žarek bo neenakomerno segreval optične elemente, kar bo slabo vplivalo na lastnosti žarka samega. Ta učinek je treba nekako nadomestiti in za to je bil v 2000-ih uveden celoten raziskovalni program na to temo (za zgodbo o teh raziskavah glejte novico Premagana ovira na poti do visoko občutljivega detektorja gravitacijskih valov, "Elementi" , 27. 6. 2006 ). Končno obstajajo čisto temeljne fizične omejitve, povezane s kvantnim obnašanjem fotonov v votlini in načelom negotovosti. Omejijo občutljivost senzorja na vrednost, imenovano standardna kvantna meja. Vendar pa so se jo fiziki z uporabo pametno pripravljenega kvantnega stanja laserske svetlobe že naučili premagati (J. Aasi et al., 2013. Enhanced sensitivity of the LIGO gravitational wave detector by using squeezed states of light).

Sodeluje v tekmi za gravitacijske valove cel seznam države; Rusija ima svojo instalacijo, na observatoriju Baksan, ki je, mimogrede, opisana v dokumentarnem poljudnoznanstvenem filmu Dmitrija Zavilgelskega. "Čakanje na valove in delce". Voditelja te tekme sta zdaj dva laboratorija - ameriški projekt LIGO in italijanski detektor Virgo. LIGO vključuje dva enaka detektorja, ki se nahajata v Hanfordu (zvezna država Washington) in Livingstonu (Louisiana) in sta drug od drugega oddaljena 3000 km. Imeti dve nastavitvi je pomembno iz dveh razlogov. Prvič, signal se bo štel za registriran le, če ga vidita oba detektorja hkrati. In drugič, z razliko v prihodu izbruha gravitacijskega valovanja na dveh napravah - in lahko doseže 10 milisekund - je mogoče približno določiti, iz katerega dela neba je ta signal prišel. Res je, da bo pri dveh detektorjih napaka zelo velika, a ko bo Virgo začel delovati, se bo natančnost opazno povečala.

Strogo gledano sta idejo o interferometričnem zaznavanju gravitacijskih valov prvič predlagala sovjetska fizika M. E. Herzenstein in V. I. Pustovoit leta 1962. Takrat je bil laser šele izumljen in Weber je začel ustvarjati svoje resonančne detektorje. Vendar ta članek na Zahodu ni bil opažen in, resnici na ljubo, ni vplival na razvoj resničnih projektov (glej. zgodovinski pregled Fizika detekcije gravitacijskih valov: resonančni in interferometrični detektorji).

Ustanovitev gravitacijskega observatorija LIGO je bila pobuda treh znanstvenikov s tehnološkega inštituta v Massachusettsu. Inštitut za tehnologijo(MIT) in s Kalifornijskega inštituta za tehnologijo (Caltech). To so Rainer Weiss, ki je uresničil idejo o interferometričnem detektorju gravitacijskih valov, Ronald Drever, ki je dosegel zadostno stabilnost laserske svetlobe za detekcijo, in Kip Thorne, teoretik za projektom, danes dobro znan širši javnosti. kot znanstveni svetovalec filma "Interstellar". O zgodnja zgodovina ustanovitev LIGO lahko preberete v nedavnem intervjuju z Rainerjem Weissom in v spominih Johna Preskilla.

Aktivnosti v zvezi s projektom interferometrične detekcije gravitacijskih valov so se začele v poznih sedemdesetih letih prejšnjega stoletja in sprva so mnogi dvomili tudi o izvedljivosti tega podviga. Vendar pa je bil po predstavitvi številnih prototipov napisan in odobren trenutni dizajn LIGO. Zgrajena je bila v zadnjem desetletju 20. stoletja.

Čeprav je začetni zagon za projekt prišel iz Združenih držav Amerike, je LIGO resnično mednarodni projekt. Vanj je finančno in intelektualno vložilo 15 držav, v kolaboracijo je vključenih več kot tisoč ljudi. Pomembna vloga Pri izvedbi projekta so sodelovali sovjetski in ruski fiziki. Od vsega začetka aktivno sodelovanje Pri izvedbi projekta LIGO je sodelovala že omenjena skupina Vladimirja Braginskega z Moskovske državne univerze, kasneje pa se je sodelovanju pridružil še Inštitut za uporabno fiziko iz Nižnega Novgoroda.

Observatorij LIGO je začel delovati leta 2002 in je do leta 2010 gostil šest znanstvenih opazovanj. Nobenih izbruhov gravitacijskih valov ni bilo zanesljivo zaznati in fiziki so lahko postavili le zgornje meje pogostosti takih dogodkov. To pa jih ni pretirano presenetilo: ocene so pokazale, da je v tistem delu vesolja, ki ga je takrat »prisluškoval« detektor, verjetnost dovolj močne kataklizme majhna: približno enkrat na nekaj desetletij.

Ciljna črta

Od leta 2010 do 2015 sta kolaboraciji LIGO in Virgo temeljito posodobili opremo (Virgo pa je še v pripravi). In zdaj je bil dolgo pričakovani cilj na vidiku. LIGO - oziroma aLIGO ( Napredni LIGO) - je bil zdaj pripravljen ujeti izbruhe, ki jih ustvarjajo nevtronske zvezde na razdalji 60 megaparsekov, in črne luknje - na razdalji stotin megaparsekov. Prostornina vesolja, odprtega za poslušanje gravitacijskih valov, se je povečala za desetkrat v primerjavi s prejšnjimi sejami.

Seveda je nemogoče napovedati, kdaj in kje se bo zgodil naslednji razmah gravitacijskih valov. Toda občutljivost posodobljenih detektorjev je omogočila računati na več združitev nevtronskih zvezd na leto, tako da je prvi izbruh mogoče pričakovati že med prvim štirimesečnim opazovanjem. Če govorimo o celotnem projektu aLIGO, ki je trajal več let, je bila razsodba izjemno jasna: ali bodo izbruhi padali drug za drugim, ali pa nekaj v splošni relativnosti načeloma ne deluje. Oboje bo veliko odkritje.

Od 18. septembra 2015 do 12. januarja 2016 je potekala prva opazovalna seja aLIGO. Ves ta čas so po spletu krožile govorice o registraciji gravitacijskih valov, o sodelovanju pa so molčali: »zbiramo in analiziramo podatke in še nismo pripravljeni poročati o rezultatih.« Dodatno intrigo je ustvarilo dejstvo, da med analizo sami člani kolaboracije ne morejo biti popolnoma prepričani, da vidijo pravi izbruh gravitacijskega vala. Dejstvo je, da se v LIGO računalniško ustvarjeni izbruh občasno umetno vnese v tok resničnih podatkov. Imenuje se »slepo vbrizgavanje« in od celotne skupine imajo samo tri osebe (!) dostop do sistema, ki to izvede v poljubnem trenutku. Ekipa mora slediti temu porastu, ga odgovorno analizirati in le največ zadnje stopnje analizo »karte so razkrite« in člani kolaboracije bodo ugotovili, ali je šlo za resničen dogodek ali za test budnosti. Mimogrede, v enem od takšnih primerov leta 2010 je prišlo celo do pisanja članka, vendar se je takrat odkriti signal izkazal le za "slepo polnjenje".

Lirična digresija

Da bi še enkrat začutili slovesnost trenutka, predlagam, da pogledamo to zgodbo z druge strani, z notranje strani znanosti. Ko je zapletena, nepremagljiva znanstvena naloga več let nerešena, je to običajen delovni trenutek. Ko ne popušča več kot eno generacijo, se dojema povsem drugače.

Kot šolar bereš poljudnoznanstvene knjige in spoznavaš to težko rešljivo, a strašno zanimivo znanstveno uganko. Kot študent študiraš fiziko, podajaš poročila in včasih, primerno ali ne, te okolica spomni na njen obstoj. Potem se sami ukvarjate z znanostjo, delate na drugem področju fizike, vendar redno slišite o neuspešnih poskusih reševanja. Seveda razumete, da se nekje nekaj dogaja aktivno delo po njeni odločitvi, vendar končni rezultat za vas kot avtsajderja ostane nespremenjen. Težavo dojemamo kot statično ozadje, kot okras, kot večno in skoraj nespremenjeno v obsegu vašega znanstveno življenje element fizike. Kot naloga, ki je vedno bila in bo.

In potem - rešijo. In nenadoma, v obsegu nekaj dni, začutiš, da se je fizična slika sveta spremenila in da jo je zdaj treba oblikovati z drugimi izrazi in postavljati druga vprašanja.

Za ljudi, ki se neposredno ukvarjajo z iskanjem gravitacijskih valov, ta naloga seveda ni ostala nespremenjena. Vidijo cilj, vedo, kaj je treba doseči. Ti seveda upajo, da jim bo tudi narava ustregla na pol poti in močno pljusknila v kakšno bližnjo galaksijo, hkrati pa razumejo, da se narava, četudi ne bo tako naklonjena, ne bo mogla več skriti pred znanstveniki. . Vprašanje je le, kdaj točno jim bo uspelo doseči svoje cilje. tehnične namene. Zgodbo o tem občutku osebe, ki že več desetletij išče gravitacijske valove, lahko slišite v že omenjenem filmu "Čakanje na valove in delce".

Otvoritev

Na sl. 7 prikazano glavni rezultat: profil signala, ki ga zabeležita oba detektorja. Vidimo, da se na ozadju hrupa nihanje želene oblike najprej pojavi šibko, nato pa se poveča v amplitudi in frekvenci. Primerjava z rezultati numeričnih simulacij je omogočila ugotoviti, pri katerih objektih smo opazili zlivanje: to so bile črne luknje z maso približno 36 in 29 sončnih mas, ki sta se združili v eno črno luknjo z maso 62 sončnih mas (napaka pri vse te številke ustrezajo 90 odstotkom interval zaupanja, je 4 sončne mase). Avtorji mimogrede ugotavljajo, da je nastala črna luknja najtežja črna luknja z zvezdno maso, kar so jih kdaj opazili. Razlika med skupno maso obeh začetnih objektov in končne črne luknje je 3 ± 0,5 sončne mase. Ta napaka gravitacijske mase se je v približno 20 milisekundah popolnoma pretvorila v energijo oddanih gravitacijskih valov. Izračuni so pokazali, da je najvišja moč gravitacijskega valovanja dosegla 3,6 10 56 erg/s ali, glede na maso, približno 200 Sončevih mas na sekundo.

Statistična značilnost zaznanega signala je 5,1σ. Z drugimi besedami, če predpostavimo, da so se ta statistična nihanja med seboj prekrivala in čisto po naključju povzročila tak izbruh, bi na tak dogodek morali čakati 200 tisoč let. To nam omogoča, da z gotovostjo trdimo, da zaznani signal ni nihanje.

Časovni zamik med detektorjema je bil približno 7 milisekund. To je omogočilo oceno smeri prihoda signala (slika 9). Ker sta detektorja le dva, se je izkazalo, da je lokalizacija zelo približna: po parametrih primerno območje nebesne sfere je 600 kvadratnih stopinj.

Sodelovanje LIGO se ni omejilo na preprosto navedbo dejstva snemanja gravitacijskih valov, ampak je izvedlo tudi prvo analizo posledic, ki jih ima to opazovanje za astrofiziko. V članku Astrophysical implications of the binary black hole merger GW150914, objavljenem istega dne v reviji The Astrophysical Journal Letters, so avtorji ocenili pogostost, s katero se zgodijo takšne združitve črnih lukenj. Rezultat je bila vsaj ena združitev na kubični gigaparsec na leto, kar je skladno z napovedmi najbolj optimističnih modelov v zvezi s tem.

Kaj nam povedo gravitacijski valovi

Odkritje novega pojava po desetletjih iskanja ni konec, ampak šele začetek nove veje fizike. Seveda je registracija gravitacijskih valov iz zlitja dveh črnih pomembna sama po sebi. To je neposreden dokaz obstoja črnih lukenj in obstoja dvojnih črnih lukenj ter resničnosti gravitacijskih valov in na splošno dokaz o pravilnosti geometrijskega pristopa k gravitaciji, na katerem temelji splošna relativnost. Toda za fizike ni nič manj dragoceno, da gravitacijsko-valovna astronomija postaja novo raziskovalno orodje, ki omogoča preučevanje tistega, kar je bilo prej nedostopno.

Prvič, to je nov način opazovanja vesolja in preučevanja kozmičnih kataklizm. Za gravitacijske valove ni ovir, brez težav prehajajo skozi vse v vesolju. So samozadostni: njihov profil nosi informacije o procesu, ki jih je rodil. Nazadnje, če ena velika eksplozija ustvari optični, nevtrinski in gravitacijski izbruh, potem lahko poskusimo ujeti vse, jih primerjati med seboj in razumeti prej nedostopne podrobnosti o tem, kaj se je tam zgodilo. Da bi lahko ujeli in primerjali tako različne signale iz enega dogodka - glavni cilj vsesignalna astronomija.

Ko bodo detektorji gravitacijskih valov postali še bolj občutljivi, bodo lahko zaznali tresenje prostora-časa ne v trenutku zlitja, ampak nekaj sekund pred njim. Samodejno bodo poslali svoj opozorilni signal v splošno mrežo opazovalnih postaj, sateliti astrofizikalnih teleskopov pa bodo po izračunu koordinat predlagane združitve imeli čas v teh sekundah, da se obrnejo v želeno smer in začnejo fotografirati nebo pred optičnim izbruhom. se začne.

Drugič, izbruh gravitacijskega valovanja nam bo omogočil, da se naučimo novih stvari o nevtronskih zvezdah. Zlitje nevtronskih zvezd je pravzaprav najnovejši in najekstremnejši poskus na nevtronskih zvezdah, ki nam ga narava lahko izvede, mi kot gledalci pa bomo rezultate le opazovali. Posledice opazovanja takšnega združevanja so lahko različne (slika 10), z zbiranjem njihove statistike pa lahko bolje razumemo obnašanje nevtronskih zvezd v tako eksotičnih okoljih. Pregled trenutno stanje primere v tej smeri je mogoče najti v nedavni publikaciji S. Rosswoga, 2015. Multi-messenger slika kompaktnih binarnih združitev.

Tretjič, registracija izbruha supernove in primerjava z optičnimi opazovanji bo končno omogočila podrobno razumevanje dogajanja tam notri, na samem začetku kolapsa. Zdaj imajo fiziki še vedno težave z numeričnim modeliranjem tega procesa.

Četrtič, fiziki, ki se ukvarjajo s teorijo gravitacije, imajo zaželen "laboratorij" za preučevanje učinkov močne gravitacije. Doslej so bili vsi učinki splošne teorije relativnosti, ki smo jih lahko neposredno opazovali, povezani z gravitacijo v šibkih poljih. Kaj se zgodi v pogojih močne gravitacije, ko distorzije prostora-časa začnejo močno vplivati ​​same nase, bi lahko ugibali le iz posrednih manifestacij, skozi optični odmev kozmičnih katastrof.

Petič, obstaja nova priložnost za testiranje eksotičnih teorij gravitacije. V sodobni fiziki je že veliko takšnih teorij, glej jim na primer posvečeno poglavje iz priljubljene knjige "Gravitacija" A. N. Petrova. Nekatere od teh teorij so podobne konvencionalni splošni relativnosti v mejah šibkih polj, vendar so lahko zelo drugačne, ko postane gravitacija zelo močna. Drugi priznavajo obstoj nove vrste polarizacije za gravitacijske valove in napovedujejo hitrost, ki se nekoliko razlikuje od hitrosti svetlobe. Končno obstajajo teorije, ki vključujejo dodatne prostorske dimenzije. Kaj lahko rečemo o njih na podlagi gravitacijskih valov, je odprto vprašanje, vendar je jasno, da je nekaj informacij tukaj mogoče pridobiti. Priporočamo tudi branje mnenja samih astrofizikov o tem, kaj se bo spremenilo z odkritjem gravitacijskih valov, v izboru na Postnauki.

Načrti za prihodnost

Obeti za astronomijo gravitacijskih valov so zelo spodbudni. Zdaj je končana le prva, najkrajša opazovalna seja detektorja aLIGO - in že za to kratek čas je bil prejet jasen signal. Točneje bi bilo reči takole: prvi signal je bil ujet še pred uradnim začetkom, o vseh štirih mesecih dela pa kolaboracija še ni poročala. Kdo ve, morda je tam že nekaj dodatnih konic? Tako ali drugače, a naprej, z večanjem občutljivosti detektorjev in širitvijo dela vesolja, ki je dostopen opazovanju gravitacijskih valov, bo število zabeleženih dogodkov naraščalo kot plaz.

Pričakovani razpored sej za omrežje LIGO-Virgo je prikazan na sl. 11. Druga, šestmesečna seja se bo začela konec tega leta, tretja seja bo trajala skoraj vse leto 2018 in na vsaki stopnji se bo povečala občutljivost detektorja. Okoli leta 2020 naj bi aLIGO dosegel svojo načrtovano občutljivost, ki bo detektorju omogočila sondiranje vesolja za zlitje nevtronskih zvezd, oddaljenih od nas na razdaljah do 200 Mpc. Za še bolj energične dogodke združitve črnih lukenj lahko občutljivost doseže skoraj gigaparsek. Tako ali drugače se bo prostornina vesolja, ki je na voljo za opazovanje, povečala več desetkrat v primerjavi s prvo sejo.

Še letos bo prišel v poštev tudi prenovljeni italijanski laboratorij Virgo. Njegova občutljivost je nekoliko manjša kot pri LIGO, a še vedno povsem spodobna. Trio v prostoru razmaknjenih detektorjev bo zaradi triangulacijske metode omogočal veliko boljšo rekonstrukcijo položaja virov na nebesni sferi. Če zdaj z dvema detektorjema območje lokalizacije doseže stotine kvadratnih stopinj, ga bodo trije detektorji zmanjšali na desetine. Poleg tega se na Japonskem trenutno gradi podobna gravitacijska antena KAGRA, ki bo začela delovati v dveh do treh letih, v Indiji pa naj bi okoli leta 2022 lansirali detektor LIGO-India. Posledično bo po nekaj letih delovala cela mreža detektorjev gravitacijskih valov, ki bodo redno beležili signale (slika 13).

Nazadnje, obstajajo načrti za izstrelitev instrumentov za gravitacijske valove v vesolje, zlasti projekt eLISA. Pred dvema mesecema so v orbito izstrelili prvi testni satelit, katerega naloga bo preizkušanje tehnologij. Pravo zaznavanje gravitacijskih valov je še daleč. Toda ko bo ta skupina satelitov začela zbirati podatke, bo odprla še eno okno v vesolje – skozi nizkofrekvenčne gravitacijske valove. Ta vsevalni pristop k gravitacijskim valovom je glavni dolgoročni cilj za to področje.

Vzporednice

Odkritje gravitacijskih valov je bilo tretjič v zadnjih letih, ko so fiziki končno prebili vse ovire in prišli do prej neznanih tankosti strukture našega sveta. Leta 2012 so odkrili Higgsov bozon, delec, ki je bil napovedan pred skoraj pol stoletja. Leta 2013 je detektor nevtrinov IceCube dokazal resničnost astrofizičnih nevtrinov in začel "gledati na vesolje" na popolnoma nov, prej nedostopen način - skozi visokoenergijske nevtrine. In zdaj je narava spet podlegla človeku: odprlo se je »okno« gravitacijskih valov za opazovanje vesolja, hkrati pa so učinki močne gravitacije postali dostopni za neposredno proučevanje.

Treba je povedati, da tukaj ni bilo nikjer "brezplačnika" od narave. Iskanje je potekalo zelo dolgo, a ni obrodilo rezultatov, saj takrat, pred desetletji, oprema ni dosegla rezultata ne po energiji, ne po obsegu, ne po občutljivosti. Do cilja je pripeljal vztrajen, usmerjen razvoj tehnologije, razvoja, ki ga niso zaustavile ne tehnične težave ne negativni rezultati preteklih let.

In v vseh treh primerih samo dejstvo odkritja ni bilo konec, ampak, nasprotno, začetek nove smeri raziskovanja, postalo je novo orodje za raziskovanje našega sveta. Lastnosti Higgsovega bozona so postale na voljo za merjenje - in v teh podatkih fiziki poskušajo razbrati učinke Nova fizika. Zahvaljujoč povečani statistiki visokoenergijskih nevtrinov dela astrofizika nevtrinov prve korake. Vsaj enako se zdaj pričakuje od astronomije gravitacijskih valov in obstajajo vsi razlogi za optimizem.

Viri:
1) LIGO Scientific Coll. in Virgo Coll. Opazovanje gravitacijskih valov iz združitve binarne črne luknje // Phys. Rev. Lett. Objavljeno 11. februarja 2016.
2) Detection Papers - seznam tehničnih člankov, ki spremljajo glavni članek o odkritju.
3) E. Berti. Gledišče: Prvi zvoki spajanja črnih lukenj // Fizika. 2016. V. 9. N. 17.

Pregled materialov:
1) David Blair et al. Astronomija gravitacijskih valov: trenutno stanje // arXiv:1602.02872.
2) Benjamin P. Abbott in LIGO Scientific Collaboration in Virgo Collaboration. Obeti za opazovanje in lokalizacijo tranzientov gravitacijskih valov z naprednima LIGO in naprednima Virgo // Živi Rev. Relativnost. 2016. V. 19. N. 1.
3) O. D. Aguiar. Preteklost, sedanjost in prihodnost detektorjev resonančnih gravitacijskih valov // Res. Astron. Astrophys. 2011. V. 11. N. 1.
4) Iskanje gravitacijskih valov - izbor gradiva na spletni strani revije Znanost o iskanju gravitacijskih valov.
5) Matthew Pitkin, Stuart Reid, Sheila Rowan, Jim Hough. Zaznavanje gravitacijskih valov z interferometrijo (zemlja in vesolje) // arXiv:1102.3355.
6) V. B. Braginski. Astronomija gravitacijskih valov: nove merilne metode // UFN. 2000. T. 170. str. 743–752.
7) Peter R. Saulson.

• Gravitacijski valovi so spremembe v gravitacijskem polju, ki se širijo kot valovi. Oddajajo jih premikajoče se mase, po sevanju pa se od njih ločijo in obstajajo neodvisno od teh mas. Matematično je povezano s perturbacijo prostorsko-časovne metrike in se lahko opiše kot "prostorsko-časovno valovanje".

  IN splošna teorija relativnosti in v večini drugih sodobne teorije gravitacija, gravitacijski valovi nastajajo zaradi gibanja masivnih teles z spremenljiv pospešek. Gravitacijski valovi se v prostoru prosto širijo s svetlobno hitrostjo. Zaradi relativne šibkosti gravitacijske sile(v primerjavi z drugimi) imajo ti valovi zelo majhno magnitudo, ki jo je težko registrirati.

  Gravitacijske valove napoveduje splošna teorija relativnosti (GR) in številne druge teorije gravitacije. Prvič so jih neposredno odkrili septembra 2015 z dvojnimi detektorji LIGO, ki so zaznali gravitacijske valove, ki so verjetno posledica združitve dveh črnih lukenj v eno bolj masivno vrtečo se črno luknjo. črna luknja. Posredni dokazi o njihovem obstoju so znani že od sedemdesetih let prejšnjega stoletja – splošna relativnost napoveduje stopnje konvergence tesnih sistemov dvojnih zvezd, ki sovpadajo z opazovanji zaradi izgube energije zaradi oddajanja gravitacijskih valov. Neposredna registracija gravitacijskih valov in njihova uporaba za določanje parametrov astrofizikalnih procesov je pomembna naloga sodobne fizike in astronomije.

  V okviru splošne teorije relativnosti gravitacijske valove opisujejo rešitve Einsteinovih enačb valovnega tipa, ki predstavljajo motnjo metrike prostor-čas, ki se giblje s svetlobno hitrostjo (v linearnem približku). Manifestacija te motnje bi morala biti zlasti občasna sprememba razdalje med dvema prosto padajočima (tj. nanje ne vplivata nobena sila) preskusnima masama. Amplituda h gravitacijskega valovanja je brezdimenzijska količina – relativna sprememba razdalje. Predvidene največje amplitude gravitacijskih valov iz astrofizičnih objektov (na primer kompaktnih binarnih sistemov) in pojavov (eksplozije supernov, združitve) nevtronske zvezde, zajem zvezd s črnimi luknjami itd.) so pri merjenju v Osončju zelo majhne (h=10−18-10−23). Šibko (linearno) gravitacijsko valovanje po splošni teoriji relativnosti prenaša energijo in gibalno količino, se giblje s svetlobno hitrostjo, je transverzalno, štiripolno in ga opisujeta dve neodvisni komponenti, ki se med seboj nahajata pod kotom 45° ( ima dve smeri polarizacije).

  Različne teorije različno napovedujejo hitrost širjenja gravitacijskih valov. V splošni teoriji relativnosti je enaka svetlobni hitrosti (v linearnem približku). V drugih teorijah gravitacije ima lahko katero koli vrednost, vključno z neskončnostjo. Po prvi registraciji gravitacijskih valov se je izkazalo, da je njihova disperzija združljiva z brezmasnim gravitonom, hitrost pa je bila ocenjena kot enaka svetlobni hitrosti.

Prosta površina tekočine v ravnovesju v gravitacijskem polju je ravna. Če je pod vplivom katerega zunanji vpliv Ko se površina tekočine na nekem mestu premakne iz ravnotežnega položaja, se v tekočini pojavi gibanje. To gibanje se bo širilo po celotni površini tekočine v obliki valov, ki jih imenujemo gravitacijski valovi, saj nastanejo zaradi delovanja gravitacijskega polja. Gravitacijski valovi se pojavljajo predvsem na površini tekočine in tem manj zajamejo njene notranje plasti, čim globlje so te plasti.

Tukaj bomo obravnavali gravitacijske valove, pri katerih je hitrost gibajočih se delcev tekočine tako majhna, da lahko člen v Eulerjevi enačbi zanemarimo v primerjavi z. Kaj ta pogoj fizikalno pomeni, je enostavno ugotoviti. V časovnem obdobju, ki je velikosti obdobja nihanja, ki ga izvajajo delci tekočine v valu, ti delci prepotujejo razdaljo reda velikosti amplitude valovanja a, zato je hitrost njihovega gibanja reda hitrosti ​​v opazno spreminja v časovnih intervalih reda velikosti in na razdaljah reda velikosti vzdolž smeri širjenja valovanja ( - valovi dolžine). Zato je odvod hitrosti glede na čas reda velikosti, glede na koordinate pa reda velikosti. Tako je pogoj enakovreden zahtevi

to pomeni, da mora biti amplituda nihanj v valu majhna v primerjavi z valovno dolžino. V § 9 smo videli, da če lahko člen v enačbi gibanja zanemarimo, potem je gibanje tekočine potencialno. Ob predpostavki, da je tekočina nestisljiva, lahko torej uporabimo enačbi (10.6) in (10.7). V enačbi (10.7) lahko zdaj zanemarimo člen, ki vsebuje kvadrat hitrosti; s postavitvijo in uvedbo izraza v gravitacijsko polje dobimo:

(12,2)

Os izberemo kot običajno navpično navzgor, kot x, y ravnino pa izberemo ravnotežno ravno površino tekočine.

Označili bomo - koordinate točk na površini tekočine z ; je funkcija koordinat x, y in časa t. V ravnotežju pride do navpičnega premika površine tekočine, ko ta niha.

Naj na površino tekočine deluje stalen tlak. Potem imamo po (12.2) na površini

Konstanto lahko izločimo z redefiniranjem potenciala (tako, da mu dodamo količino, neodvisno od koordinat. Takrat ima pogoj na površini tekočine obliko

Majhna amplituda nihanj v valu pomeni, da je premik majhen. Zato lahko v istem približku predpostavimo, da navpična komponenta hitrosti gibanja površinskih točk sovpada s časovnim odvodom premika, vendar imamo:

Zaradi majhnosti oscilacij je mogoče v tem pogoju vzeti vrednosti odvodov pri . Tako končno dobimo naslednji sistem enačb, ki določajo gibanje v gravitacijskem valovanju:

Upoštevali bomo valovanje na površini tekočine, pri čemer menimo, da je ta površina neomejena. Predpostavili bomo tudi, da je valovna dolžina majhna v primerjavi z globino tekočine; tekočino lahko potem obravnavamo kot neskončno globoko. Zato na stranskih mejah in na dnu tekočine ne pišemo robnih pogojev.

Oglejmo si gravitacijski val, ki se širi vzdolž osi in je enakomeren vzdolž osi; v takem valu vse količine niso odvisne od koordinate y. Iskali bomo rešitev, ki je preprosta periodična funkcija časa in koordinate x:

kjer je ( ciklična frekvenca (o njej bomo govorili preprosto kot o frekvenci), k je valovni vektor valovanja, je valovna dolžina. Če ta izraz nadomestimo v enačbo, dobimo enačbo za funkcijo

Njegova raztopina, ki razpada v globino tekočine (tj. pri ):

Izpolniti moramo tudi robni pogoj (12.5) Če vanj nadomestimo (12.5), najdemo povezavo med frekvenco b in valovnim vektorjem (ali, kot pravijo, zakon disperzije valov):

Porazdelitev hitrosti v tekočini dobimo z razlikovanjem potenciala vzdolž koordinat:

Vidimo, da se hitrost proti globini tekočine eksponentno zmanjšuje. V vsakem dano točko prostoru (tj. za dane x, z), se vektor hitrosti enakomerno vrti v ravnini x in ostaja konstanten po velikosti.

Določimo tudi trajektorijo tekočih delcev v valu. Z x, z začasno označimo koordinate gibajočega se delca tekočine (in ne koordinate fiksne točke v prostoru) in z - vrednosti x za ravnotežni položaj delca. Potem in na desni strani (12.8) lahko približno zapišemo namesto , pri čemer izkoristimo majhnost nihanj. Integracija skozi čas nato daje:

Tako delci tekočine opisujejo kroge okoli točk s polmerom, ki eksponentno pada proti globini tekočine.

Hitrost U širjenja valov je enaka, kot bo prikazano v § 67. Če sem nadomestimo, ugotovimo, da je hitrost širjenja gravitacijskih valov na neomejeni površini neskončno globoke tekočine enaka

Povečuje se z večanjem valovne dolžine.

Dolgi gravitacijski valovi

Ko smo obravnavali gravitacijske valove, katerih dolžina je majhna v primerjavi z globino tekočine, se zdaj osredotočimo na nasprotni mejni primer valov, katerih dolžina je velika v primerjavi z globino tekočine.

Takšni valovi se imenujejo dolgi.

Najprej razmislimo o širjenju dolgih valov v kanalu. Dolžino kanala (usmerjenega vzdolž osi x) bomo imeli za neomejeno. Prerez kanala ima lahko poljubno obliko in se lahko po dolžini spreminja. Površina prečnega prereza tekočine v kanalu je označena z Predpostavlja se, da sta globina in širina kanala majhni v primerjavi z valovno dolžino.

Tu bomo obravnavali vzdolžne dolge valove, v katerih se tekočina premika vzdolž kanala. Pri takih valovih je komponenta hitrosti vzdolž dolžine kanala velika v primerjavi s komponentami

Če preprosto označimo v in izpustimo majhne člene, lahko -komponento Eulerjeve enačbe zapišemo kot

a-komponenta - v obliki

(izpuščamo izraze s kvadratno hitrostjo, saj amplituda valovanja še vedno velja za majhno). Iz druge enačbe imamo, ob upoštevanju, da na prosti površini ) mora biti

Če nadomestimo ta izraz v prvo enačbo, dobimo:

Drugo enačbo za določitev dveh neznank je mogoče izpeljati z metodo, podobno izpeljavi enačbe kontinuitete. Ta enačba je v bistvu enačba kontinuitete, uporabljena v obravnavanem primeru. Razmislimo o prostornini tekočine, zaprti med dvema prečnima ravninama kanala, ki sta med seboj oddaljeni. V enoti časa bo prostornina tekočine vstopila skozi eno ravnino, prostornina pa bo izstopila skozi drugo ravnino. Zato se bo prostornina tekočine med obema ravninama spremenila

"Pred kratkim je vrsta dolgotrajnih poskusov neposrednega opazovanja gravitacijskih valov vzbudila veliko zanimanje znanstvene skupnosti," je zapisal specialist na tem področju. teoretična fizika Michio Kaku v knjigi "Einsteinov kozmos" leta 2004. — Projekt LIGO (»laserski interferometer za opazovanje gravitacijskih valov«) bo morda prvi, ki bo »videl« gravitacijske valove, najverjetneje zaradi trka dveh črnih lukenj v globok vesolje. LIGO je uresničitev sanj fizikov, prva naprava z dovolj moči za merjenje gravitacijskih valov."

Kakujeva napoved se je uresničila: v četrtek je skupina mednarodnih znanstvenikov iz observatorija LIGO objavila odkritje gravitacijskih valov.

Gravitacijski valovi so nihanja v prostoru-času, ki "uidejo" masivnim objektom (kot so črne luknje), ki se premikajo s pospeškom. Z drugimi besedami, gravitacijski valovi so širijoča ​​se motnja prostora-časa, potujoča deformacija absolutne praznine.

Črna luknja je območje v prostoru-času, katerega gravitacijska privlačnost je tako močna, da je ne morejo zapustiti niti predmeti, ki se premikajo s svetlobno hitrostjo (vključno s svetlobo samo). Meja, ki ločuje črno luknjo od preostalega sveta, se imenuje obzorje dogodkov: vse, kar se dogaja znotraj obzorja dogodkov, je skrito očem zunanjega opazovalca.

Erin Ryan Fotografija torte, ki jo je na spletu objavila Erin Ryan.

Znanstveniki so gravitacijske valove začeli loviti pred pol stoletja: takrat je bilo Ameriški fizik Joseph Weber se je začel zanimati za Einsteinovo splošno teorijo relativnosti (GR), vzel si je dopust in začel preučevati gravitacijske valove. Weber je izumil prvo napravo za zaznavanje gravitacijskih valov in kmalu objavil, da je posnel »zvok gravitacijskih valov«. Vendar je znanstvena skupnost njegovo sporočilo ovrgla.

Vendar se je po zaslugi Josepha Webra veliko znanstvenikov spremenilo v »lovce na valove«. Weber danes velja za očeta znanstvenega področja astronomije gravitacijskih valov.

"To je začetek nove dobe gravitacijske astronomije"

Observatorij LIGO, kjer so znanstveniki posneli gravitacijske valove, sestavljajo tri laserske naprave v ZDA: dve se nahajata v zvezni državi Washington in ena v Louisiani. Michio Kaku takole opisuje delovanje laserskih detektorjev: »Laserski žarek se razdeli na dva ločena žarka, ki gresta nato pravokotno drug na drugega. Nato se, odbita od ogledala, ponovno povežeta. Če gre gravitacijski val skozi interferometer (merilno napravo), se bosta dolžini poti obeh laserskih žarkov zmotili, kar se bo odrazilo v njunem interferenčnem vzorcu. Da bi zagotovili, da signal, ki ga posname laserski sistem, ni naključen, je treba namestiti detektorje različne točke Zemlja.

Samo pod vplivom velikanskega gravitacijskega vala, ki je veliko večji od našega planeta, bodo vsi detektorji delovali hkrati.«

Zdaj je kolaboracija LIGO zaznala gravitacijsko sevanje, ki ga povzroča združitev binarnega sistema črnih lukenj z maso 36 in 29 sončnih mas v objekt z maso 62 sončnih mas. »To je prva neposredna (zelo pomembno je, da je neposredna!) meritev delovanja gravitacijskih valov,« je dopisniku Gazete.Ru komentiral Sergej Vjačanin, profesor na Fakulteti za fiziko Moskovske državne univerze. znanstveni oddelek. — To pomeni, da je bil iz astrofizične katastrofe prejet signal združitve dveh črnih lukenj. In ta signal je identificiran - to je tudi zelo pomembno! Jasno je, da je to iz dveh črnih lukenj. In to je začetek nove dobe gravitacijske astronomije, ki bo omogočila pridobivanje informacij o vesolju ne le prek optičnih, rentgenskih, elektromagnetnih in nevtrinskih virov – ampak tudi preko gravitacijskih valov.

Lahko rečemo, da je 90 odstotkov črnih lukenj prenehalo biti hipotetični objekti. Nekaj ​​dvomov ostaja, a vseeno se ujeti signal zelo dobro ujema s tem, kar napovedujejo neštete simulacije zlitja dveh črnih lukenj v skladu s splošno teorijo relativnosti.

To je močan argument, da črne luknje obstajajo. Druge razlage za ta signal še ni. Zato je sprejeto, da črne luknje obstajajo."

"Einstein bi bil zelo vesel"

Gravitacijske valove je napovedal Albert Einstein (ki je bil, mimogrede, skeptičen glede obstoja črnih lukenj) kot del svoje splošne teorije relativnosti. V GR se trem prostorskim dimenzijam doda čas in svet postane štiridimenzionalen. Po teoriji, ki je postavila na glavo vso fiziko, je gravitacija posledica ukrivljenosti prostora-časa pod vplivom mase.

Einstein je dokazal, da vsaka materija, ki se giblje s pospeškom, ustvarja motnjo v prostoru-času – gravitacijski val. Ta motnja je tem večja, čim večji sta pospešek in masa predmeta.

Zaradi šibkosti gravitacijskih sil v primerjavi z drugimi temeljne interakcije ti valovi morajo imeti zelo majhno magnitudo, težko jih je registrirati.

Ko humanističnim znanstvenikom razlagajo splošno relativnost, jih fiziki pogosto prosijo, naj si predstavljajo raztegnjeno plast gume, na katero so spuščene masivne krogle. Kroglice pritisnejo skozi gumo in raztegnjena plošča (ki predstavlja prostor-čas) se deformira. Po splošni relativnosti je celotno vesolje guma, na kateri vsak planet, vsaka zvezda in vsaka galaksija pusti udrtine. Naša Zemlja se vrti okoli Sonca kot majhna žogica, ki se izstreli, da se kotali okoli stožca lijaka, ki nastane kot posledica "potiskanja" prostora-časa s težko kroglo.

IZROČEK/Reuters

Težka žoga je Sonce

Verjetno odkritje gravitacijskih valov, ki je glavna potrditev Einsteinove teorije, zahteva Nobelova nagrada v fiziki. "Einstein bi bil zelo vesel," je dejala Gabriella Gonzalez, tiskovna predstavnica kolaboracije LIGO.

Po mnenju znanstvenikov je prezgodaj govoriti o praktični uporabnosti odkritja. »Čeprav ni Heinrich Hertz (nemški fizik, ki je dokazal obstoj elektromagnetni valovi. - "Gazeta.Ru") bi lahko mislil, da se bo to zgodilo mobilni telefon? ne! "Zdaj si ne moremo predstavljati ničesar," je dejal Valerij Mitrofanov, profesor na Fakulteti za fiziko na Moskovski državni univerzi. M.V. Lomonosov. — Osredotočam se na film "Interstellar". Kritizirajo ga, ja, ampak tudi čarobno preprogo bi si lahko zamislili divji človek. In čarobna preproga se je spremenila v letalo in to je to. In tukaj si moramo zamisliti nekaj zelo kompleksnega. V Interstellarju je ena od točk povezana z dejstvom, da lahko človek potuje iz enega sveta v drugega. Če si tako predstavljate, ali verjamete, da lahko človek potuje iz enega sveta v drugega, da je lahko veliko vesolj - karkoli? Ne morem odgovoriti ne. Ker fizik na takšno vprašanje ne more odgovoriti z "ne"! Samo če je v nasprotju z nekaterimi naravovarstvenimi zakoni! Obstajajo možnosti, ki niso v nasprotju z znanimi fizikalni zakoni. Torej, lahko je potovanje po svetovih!«

Skupina znanstvenikov iz 16 držav je prvič v praksi dobila dokaz o obstoju gravitacijskih valov. Pri tem sta jim pomagali dve črni luknji, ki sta se pred 1,3 milijarde let združili v eno. Pri tem je prišlo do takšnega sproščanja energije, da se je Zemlja tresla kot žele. Fontanka je poskušal razumeti predstavljene dokaze.

Vir: LIGO

"Zaznali smo gravitacijski val," je na tiskovni konferenci v Washingtonu dejal David Reits, izvršni direktor observatorija gravitacijskih valov LIGO Laser Interferometer. Njegove besede so povzročile buren aplavz. Kljub temu se ne zgodi tako pogosto, da temeljna znanost razveseli z odkritji v univerzalnem obsegu.

Raziskave resnično segajo onkraj planeta. Izvor nihanj, ki jih je znanstvenikom uspelo zaznati, se nahaja nekje na južnem delu zvezdnega neba. Val je prišel iz Magellanovih oblakov, ki so satelitske galaksije mlečna pot. Možna lokacija vira z različnimi verjetnostmi označeno na spodnjem zemljevidu.

Znanstveniki menijo, da so se pred približno 1,3 milijarde let tam odvijali fantastični dogodki, ko sta dve črni luknji prišli pod vpliv druga druge in se začeli približevati druga drugi. Naj vas spomnimo, da je "črna luknja" konvencionalno ime za vesoljska telesa, ki privlačijo vse, kar je v bližini. Sila privlačnosti je tako močna, da jim niti svetloba ne more uiti. Zaradi tega so "črne luknje" na ozadju svetlih zvezd in predmetov, ki jih osvetljujejo, videti popolnoma temne.

In tako sta se začela privlačiti dva taka predmeta, ki sta se premikala vzdolž polža. Tako so ustvarili motnje v gravitacijskem polju in gravitacijski valovi so se začeli oddaljevati od njihovega gibanja. Proces se je končal logično: z združitvijo v en kozmični objekt. Vizualno je to podobno delitvi celic, ki je vsem znana iz učbenika biologije, ki poteka v nasprotni smeri.

Raziskovalci LIGO opazijo kritičen trenutek, milisekundo preden se črni luknji končno združita v eno, ko je prišlo do sprostitve energije, ki je bila 50-krat večja od energije vseh zvezd v vesolju.

Vir: LIGO

Nekakšen "deveti val" je zajel vesolje in dosegel Zemljo. Val je zadel planet in vplival na njegovo gravitacijsko polje. Zaradi jasnosti so znanstveniki pojasnili, da je bil učinek podoben tistemu, kar bi se zgodilo, če bi žele z nečim prebodli in se začne tresti. Vendar taki tresljaji niso nevarni za planet in jih niso zaznali nič drugega kot ultra občutljivi instrumenti. Soustanovitelj LIGO Rainer Weiss je jasno pokazal, kako točno gre val skozi gravitacijsko polje.

Ko je val dosegel Zemljo, so eksperimentalne raziskave v iskanju gravitacijskih valov potekale že četrt stoletja. Povedati je treba, da je teoretična možnost obstoja gravitacijskih valov omenjena v več teorijah. Na primer, po Einsteinovi splošni teoriji relativnosti je hitrost širjenja gravitacijskega valovanja enaka hitrosti svetlobe v linearnem približku.

Vendar je bilo nemogoče eksperimentalno ovreči ali potrditi katero koli od teorij, saj je zaznavanje gravitacijskega valovanja zelo težko. Da bi razumeli obseg tega pojava, morate vedeti, da sta v sončnem sistemu najmočnejša vira gravitacijskih valov pravzaprav Sonce in Jupiter. In moč teh valov je nepomembna v primerjavi z kinetična energija teh teles, 5 kilovatov.

Vendar sta 14. septembra 2015 dva observatorija za gravitacijske valove v ZDA uspela zabeležiti nihanja, ki so jih kasneje znanstveniki identificirali kot gravitacijske valove. Najprej so tresljaje zabeležili v mestu Hanford v Washingtonu in po 7 milisekundah v Livingstonu v Louisiani. Ponovno preverjanje vseh podatkov je trajalo še približno šest mesecev. Po tem so znanstveniki lahko povedali, kako jim je uspelo ujeti gravitacijski val.

Za meritve smo uporabili laserski interferometer. Bistvo njegovega delovanja je razdelitev laserskega žarka na dva, ki se razlikujeta po intenzivnosti. Vsak od njih nato doseže zrcalo, kjer se odbije in vrne v sistem, od tam pa se pošlje v poseben fotodetektor. Načelo delovanja sistema je prikazano v spodnjem videu.

Vir: LIGO

Ogledala se nahajajo na precejšnji razdalji od laserja in so izolirana od tujih vibracij. Ko gre gravitacijski val skozi Zemljo, se spremeni njegova oblika in s tem tudi oddaljenost zrcal od vira sevanja. Posledica tega je, da potem, ko se laserski žarek odbije od ogledala, potrebuje žarek večjo ali manjšo razdaljo, da doseže fotodetektor. Mikroskopska razlika v laserju, ki zadene fotodetektor, je ravno metoda za določanje gravitacijskega valovanja.

Za večjo jasnost so znanstveniki določili amplitudo gravitacijskega valovanja po barvi. Tiskovna predstavnica LIGO Gabriela Gonzalez z Univerze v Louisiani je še povedala, da je gravitacijski val v območju, ki ga lahko zazna človeško uho. »Dobesedno lahko slišimo gravitacijski val, lahko slišimo vesolje. Vendar je ta val tako kratek, da bomo slišali samo zvok, podoben "pljusku!", je pojasnil Gonzalez.

Vabimo tudi bralce Fontanke, da slišijo gravitacijski val, ki se je pojavil pred približno 1,3 milijarde let kot posledica povezave dveh "črnih lukenj" v galaksiji daleč, daleč stran.